《從夸克到宇宙：理論物理的世界》
2018-09-13《從夸克到宇宙：理論物理的世界》 2017年10月3日,瑞典諾貝爾委員會將2017年度諾貝爾物理學(xué)獎授予3位美國物理學(xué)家:Rainer Weis、Bary Clark Barish 和 Kip Stephen Thorne (圖1),以表彰他們?yōu)長IGO (Laserinterferometer gravitational-wave observatory) 探測器建設(shè) 以及引力波探測所作出的貢獻 。3位獲獎?wù)咧?, Rainer Weiss 最早提出了用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析,為LIGO 探測器建設(shè)和觀測到引力波信號起到了決定性作用 , Barry Clark Barish 對 建 立 LIGO 作 出 了 關(guān) 鍵 貢 獻 , 而 Kip Stephen Thorne的貢獻則在于引力波探測和LIGO的理論方面。 圖１ 2017年度諾貝爾物理學(xué)獲獎?wù)?（從左至右分別為  1 2017年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 Rainer Weiss, 美國物理學(xué)家 ,1932年9月29日出生于德國柏林 , 分別于1955年和1962年獲得麻省理工學(xué)院學(xué)士和博士學(xué)位 。1960—1962年任教于塔夫茲大學(xué) , 1962—1964年在普林斯頓大學(xué)從事博士后研究 , 1964年加入麻省理工學(xué)院 , 并于1973—2001年 擔(dān) 任 麻 省 理 工 學(xué) 院 教 授 , 目 前 為 美 國 麻 省 理 工 學(xué) 院 榮 譽 教授。Weiss一直致力于引力物理和天體物理的研究,曾任宇宙背景探測(cosmic－background explorer,COBE)科學(xué)探測團隊主席。他發(fā)明了引力波探測中的核心技術(shù)———激光干涉測量技術(shù),對 LIGO 的設(shè)計、建造和項目立項起到關(guān)鍵作用。 Barry Clark Barish,美國物理學(xué)家,1936年1月27日出生于美 國 內(nèi) 布 拉 斯 加 州 , 1957 年 獲 得 物 理 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 , 1962 年 于 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 獲 博 士 學(xué) 位 , 1963 年 加 入 加 州 理 工 學(xué) 院 , 成 為 粒 子 物 理 國 家 實 驗 室 一 員 。 此 外 他 還 于 2005—2013 年 擔(dān) 任 國 際 線 性 加 速 器 總 體 設(shè) 計 的 主 任 。 目 前 任 職 于 美 國 加 州 理 工 學(xué) 院 。 1994 年Barish 成 為 LIGO 合 作 組 的 項 目 負 責(zé) 人 , 并 領(lǐng) 導(dǎo) 了 LIGO項目得到國家自然科學(xué)基金資助,1997年成為實驗室主任。他還領(lǐng)導(dǎo)了Livingston和 Hanford兩個引力波天文臺的建設(shè),以及建立了 LIGO 國際科學(xué)合作,最終使引力波探測成為可能。 Kip StephenThorne,美國物理學(xué)家,1940年6月1日出生于美國猶他州 , 1962 年 于 加 州 理 工 學(xué) 院 獲 學(xué) 士 學(xué) 位 , 1965 年于普林斯頓大學(xué)獲博士學(xué)位 , 1967 年 回 到 加 州 理 工 學(xué) 院 任 副 教 授 , 1970年晉升為理論物理教授,成為加州理工學(xué)院最年輕的教授之一,目 前 任 職 于 美 國 加 州 理 工 學(xué) 院 。 Thorne 主 要 研 究 相 對 論 性 天 體 物 理 和引力物理學(xué),是 LIGO 項目立項的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。他發(fā)展了從 數(shù)據(jù)中甄別和發(fā)現(xiàn)引力波信號的分析技術(shù),為 LIGO 得以發(fā)現(xiàn)引力 波和確定波源的物理特性奠定關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)。 2 引力波 引力波是時空曲率像波一樣以光速在時空中傳播。1916 年愛因斯 坦基于他所提出的廣義相對論預(yù)言引力波的存在。宇宙中一類典型的 引力波波源是兩個相互環(huán)繞的致密天體。天體的質(zhì)量越大,它們的間距越小,那么引力越強。同樣地,越致密的兩個天體相互環(huán)繞對方的時候越可以以更短的距離靠近對方,從而產(chǎn)生更強的引力波。 1974年,美國科學(xué)家 Hulse和 Taylor用引力波導(dǎo)致能量損耗 的機理來解釋所發(fā)現(xiàn)脈沖雙星的軌道在不斷減小,間接觀測到了引 力 波 , 因此獲得了1993 年度 諾 貝 爾 物 理 學(xué) 獎 。 自 愛 因 斯 坦 提 出 引 力波后,歷經(jīng)百年的不懈努力,LIGO 終于于2015年9月14日首 次 探 測 到 距 離 地 球 約 13 億 光 年 的 2 個 質(zhì) 量 分 別 約 為 36 和 29 倍 太 陽質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波,并且引力波攜帶走約3倍太陽質(zhì)量 的能量。這是人類首次證實存在恒星級雙黑洞系統(tǒng),也是人類首次 直接探測到引力波。隨后 LIGO 又探測到另外兩次黑洞并合產(chǎn)生引 力波事件。特別是,2017年8月17日,LIGO 和位于歐洲的 Virgo聯(lián)合觀測到兩個中子星并合產(chǎn)生的引力波事件,這是人類第5次直接探測到引力波,這一事件同時被很多其他天文觀測測量到并合產(chǎn)生的光學(xué)對應(yīng)體。 3 用激光干涉儀探測微弱的引力波信號 激光干涉引力波天文臺 (LIGO)項目在20世紀(jì)80年代由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同提出,得到美國國家科學(xué)基金會(NSF) 的 資 金 支 持 , 開 展 LIGO 的 可 行 性 研 究 。19 94 年 ,LIGO 獲 得 NSF 的 3.95 億 美 元 的 長 期 資 助 , 開 始 天 文 臺 建 設(shè) , 先 后 在 華 盛 頓 的漢福德 (Hanford)和路易斯安那的利文斯頓 (Livingston)建造3臺臂長千米級別的干涉儀 (即第一代陸基激光干涉引力波探測 器)。到2002年,LIGO 開始進行引力波的搜索。隨著激光探測技 術(shù)的不斷發(fā)展,2014年 LIGO 開始全面升級,升級后的激光干涉引力波天文臺被命名為 AdvancedLIGO (即第二代陸基激光干涉引力波探測器)。 2016年2月11日,美國國家科學(xué)基金會和歐洲引力天文臺正式宣布,升級后的激光干涉引力波天文臺于2015年9月14 日第一 次直接觀測到了引力波 (該事件被命名為GW150914),驗證了廣義相對論在100年前引力波的預(yù)言。Advanced LIGO 由2個相距3000km的獨立激光干涉儀組成,一個位于漢福德 (臂長4km),另一個位于利文斯頓 (臂長4km)。2016年2月17日,LIGO－India項目得到批準(zhǔn),該項目計劃將漢福德的臂長2km的探測器搬到印度,在印度建立一個新的引力波探測器,有助于準(zhǔn)確定位引力波波源的方向。 用激光干涉儀探測引力波的原理非常簡單,每個干涉儀由L型的2個臂組成,當(dāng)引力波經(jīng)過時,2個臂長差隨時間發(fā)生細微變化,該細微變化反映在激光干涉條紋上。如圖2所示,分光鏡 (beam－spliter)將入射光分成互相垂直的兩束,分別沿干涉儀的2個臂傳 播,被臂端的反射鏡反射后,再回到分光鏡,進入光電探測器(photodetector)。當(dāng)干涉儀兩臂相等時,輸出是相消干涉;當(dāng)干涉 儀的2個臂長差隨引力波的周期和強度變化時,激光束的位相也將受到相應(yīng)調(diào)制。 但由于引力波信號非常微弱,實際的引力波探測要求復(fù)雜和精密的光學(xué)技術(shù),因此經(jīng)歷了百余年科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,才得以直接探測到。例如,升級后的 LIGO 觀測到的 GW150914引力波事件,應(yīng)變 (strain)大小為10-21,對于臂長為4km的干涉儀,引起的臂長 差為10-18 m,相當(dāng)于原子核直徑的萬分之一。AdvancedLIGO 采 用了FP (Fbry－Perot)腔技術(shù),干涉儀的每個臂用FP腔代替,光束在腔內(nèi)被折疊了很多個來回,相當(dāng)于增加了臂長,實現(xiàn)相位差的 積累,從而增加引力波信號的探測靈敏度。另外,采用了相位鎖定探測技術(shù),去除激光強度波動噪聲。引力波的可探測靈敏度與激光的功率成正比,但功率的增加又引起光學(xué)元件熱形變、熱透鏡效 應(yīng)、模式畸變等不穩(wěn)定性,特別是輻射壓力噪聲。 圖2 激光干涉引力波探測器示意 目前對干涉儀的噪聲主要來自地面振動噪聲、熱噪聲和量子噪聲。前兩者來自背景干擾,可以采用有效辦法避免和補償;而量子噪聲是由量子漲落帶來的不確定性。當(dāng)干涉儀兩臂相等時,輸出相消干涉。但量子效應(yīng)實際的光場并不為0,而是存在一個微小的量子漲落。當(dāng)引力波經(jīng)過時,這個微小的漲落會干擾引力波信號的探測。在高頻段主要來自光場的相位漲落 (稱為散粒噪聲),在低頻段主要來自光場的振幅漲落作用在鏡子上的隨機輻射壓力 (輻射壓力噪聲)。由于未來引力波干涉儀的噪聲將完全由量子噪聲主導(dǎo),因此超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限是提高未來所有陸基引力波探測器靈敏度的 最重要的問題。研究表明光壓縮態(tài)技術(shù),可數(shù)量級地提高干涉儀的可探測靈敏度。 4 從噪聲中提取微弱的引力波信號 引力波數(shù)據(jù)分析是從觀測數(shù)據(jù)中尋找引力波信號。引力波探測器測到的應(yīng) 變強 度 為 10-19 (圖 3 是在漢福德和利文斯頓上觀測到的包含 GW150914引力波信號的數(shù)據(jù)片段),而在探測器可觀測頻 率范圍內(nèi)典型的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號為10-21,也就是說,在時域上噪聲完全淹沒了信號。基于儀器噪聲的統(tǒng)計性質(zhì)和數(shù)值相 對論的理論建模,通過匹配濾波技術(shù)可以把埋在噪聲下的引力波信號挖出來。匹配濾波方法首先搜集一段時域數(shù)據(jù),然后通過傅里葉 變換將信號轉(zhuǎn)換到頻域,在頻域數(shù)據(jù)中找尋引力波信號?？梢哉f,人類首次引力波探測 GW150914是實驗技術(shù)進步和理論研究突破結(jié)合的產(chǎn)物。 圖3 漢福德 (H1)和利文斯頓 (L1)的觀測數(shù)據(jù) 從各個引力波探測器傳送過來的數(shù)據(jù),在進行匹配濾波之前,首先要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。除了干涉數(shù)據(jù),同時也記錄了全球定位 系統(tǒng) (GPS)時間、探測器的狀態(tài)信息和環(huán)境條件,如溫度、氣壓、地震、聲響、電場、磁場等,多達幾百個數(shù)據(jù)通道。預(yù)處理主 要根據(jù)記錄的輔助數(shù)據(jù)標(biāo)識出由于儀器等原因不可使用的干涉數(shù) 據(jù),得到片段的科學(xué)數(shù)據(jù)。匹配濾波就是要從這些科學(xué)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏的引力波信號,然后根據(jù)多個探測儀的結(jié)果對引力波的方位進行定位。 快速識別引力波信號具有十分重要的科學(xué)意義,只有快速識別 才可以向電磁望遠鏡發(fā)出預(yù)警,及時探測致密雙星并合事件產(chǎn)生的 電磁信號,從而對于全面了解引力波源所發(fā)生的天體物理過程。因此,數(shù)據(jù)分析面臨2方面的挑戰(zhàn):1)提高發(fā)現(xiàn)引力波信號的準(zhǔn)確 度,既不能漏掉引力波信號,也不能把噪聲誤報為信號。2)提高發(fā)現(xiàn)引力波信號的速度,必須在雙星合并時甚至在雙星合并之前給出 可靠的引力波信號警示與精確的引力波方位,從而為同時觀測電磁 對應(yīng)體在時間上提供保證。目前有很多不同的實時在線數(shù)據(jù)處理流水線來處理引力波數(shù)據(jù),如SPIR (summedparalelinfiniteimpulse－response)流水線、CWB (coherentwaveburst)流水線、PyCBC和GstLAL 流 水 線 。SPIR 流 水 線 是 一 種 運 用 無 限 沖 擊 響 應(yīng) 技 術(shù) 的 時 域 引力波搜索方式,CWB流水線是同時對多個觀測站的數(shù)據(jù)進行小波分析,然后對得到的小波系數(shù)進行聚類來發(fā)現(xiàn)引力波信號。 匹配濾波分析依賴于引力波波形庫。基于數(shù)值相對論所建立起 來的有效單體數(shù)值相對論模型在 GW150914的數(shù)據(jù)處理中已發(fā)揮了 巨大的威力。數(shù)值相對論就是在計算機上數(shù)值求解引力波源對應(yīng)愛 因斯坦方程。在數(shù)值相對論發(fā)展的早期,數(shù)值相對論學(xué)家在很長時 間里被穩(wěn)定性問題困擾。計算不穩(wěn)定表現(xiàn)為在計算過程中微小誤差迅速指數(shù)地增加,導(dǎo)致程序中非數(shù)的發(fā)生。直到2005年,Pretori－us宣布數(shù)值相對論的穩(wěn)定性問題被成功突破,并給出雙黑洞整個并合過程的數(shù)值計算。之后,數(shù)值相對論學(xué)家們把關(guān)注的重心轉(zhuǎn)移到雙黑洞波源引力波數(shù)值計算的準(zhǔn)確性和計算效率問題上。 5 中國科學(xué)家的相關(guān)研究 2009年LIGO科學(xué)合作組織 (LSC)接受清華大學(xué)為中國大陸唯一成員。清華大學(xué)LSC研究團隊由清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員 、 LSC 理事會成員曹軍 威負責(zé) , 研究團隊還包括清華大學(xué)計算機系副教授都志輝和王小鴿等成員。研究團隊著重采用先進計算技 術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數(shù) 據(jù)分析軟件等工作組相關(guān)研究。清華大學(xué)研究團隊主要與麻省理工 學(xué)院、加州理工學(xué)院、西澳大利亞大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)等 LSC 成員合作,在引力波實時在線數(shù)據(jù)處理和多信使天文學(xué)方面開展了算法設(shè)計、性能優(yōu)化與軟件開發(fā)等方面的工作,主要研究成果包括:GPU 加速引力波暴數(shù)據(jù)分析、實現(xiàn)低延遲實時致密雙星并合信號 的搜尋、采用機器學(xué)習(xí)方法加強引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析等。清華大學(xué)研究團隊還研究利用虛擬化和云計算技術(shù)構(gòu)建引力波數(shù)據(jù)計算基 礎(chǔ)平臺 , 開發(fā)的軟件工具為LSC成員廣泛使用 。 6 結(jié)論 2017度諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎工作首次直接觀測到了引力波 (GW150914),驗證了廣義相對論在100年前對引力波的預(yù)言,打開了人類認識宇宙的一扇嶄新的窗口,也拉開了引力波天文學(xué)和引力波宇宙學(xué)的序幕。 本文原載于 《科技導(dǎo)報》,2017,35(23):12 本文摘編自中國科學(xué)院理論物理研究所編《從夸克到宇宙：理論物理的世界》。 從夸克到宇宙：理論物理的世界 中國科學(xué)院理論物理研究所編 北京：科學(xué)出版社，2018.05 責(zé)任編輯：錢 俊 ISBN 9787030572387 理論物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量、時間和空間以及它們的相互作用和運動規(guī)律的科學(xué)，它揭示的是自然界中所有物理現(xiàn)象的本質(zhì)。理論物理的研究對象小到物質(zhì)的基本組分夸克，大到整個宇宙，研究對象極其豐富。理論物理學(xué)經(jīng)過20世紀(jì)的蓬勃發(fā)展后，現(xiàn)在仍有大量的重要問題亟待回答，如暗物質(zhì)的性質(zhì)、暗能量的本質(zhì)、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的完備性以及是否存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理、愛因斯坦的廣義相對論是否是引力理論的終極理論、大統(tǒng)一理論是否存在、宇宙的起源、量子力學(xué)的詮釋、黑洞的本質(zhì)以及引力的量子化和時空的起源等。另外，理論物理在其他學(xué)科領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用，如生物體系、社會復(fù)雜系統(tǒng)、能源問題等。《從夸克到宇宙：理論物理的世界》收集了中國科學(xué)院理論物理研究所科研人員近年來撰寫或者翻譯的，涉及上述課題的一些優(yōu)秀科普文章。 目 錄 黑洞的本質(zhì) 蔡榮根 曹利明 |
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